РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОВОРОТА БУРА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УДАРНО-ПОВОРОТНОГО БУРЕНИЯ ШПУРОВ ИЗ СКВАЖИН Пилипец В.И. Беседина Н.Н. |
Вступительная частьЕжигодно различным геологоразведочными организациями сооружаются сотни тысяч метров скважин по породам VII - IX категории по буримости.Особую сложность представляет бурение скважин, диаметр которых превышает 100 мм. Это объясняется рядом объективных причин и вчасности отсутствием алмазных коронок большого диаметра. Поэтому совершенствование технологии бурения скважин большого диаметра в породах различной твердости является актуальной задачей. У нас в стране и за рубежом разработано много ударных буровых механизмов, имеющих различный прнцип действия: магнитнофрикционные, электромагнитные, резонансные и др., однако в настоящие время, в силу различных условий, в часности из-за конструтивных соображений, в геологоразведке получили распространение только буровые миханизмы с гидравлическим и пнивматическим приводом. Гидроударники прямого дейтвия состоят из бойка, наковальни, клапана и возвратной пружины. Гидроударники прямого действия бывают двух типов: первого и второго. Рабочий ход гидроударников первого типа состоит из трех фаз. В течение первой фазы боек с клапоном в сомкнутом положении движутся вниз под действием давления рабочей жидкости. Вторая фаза – свободный ход бойка после отсечки клапана. В конце второй фазы происходит удар бойка по наковальне. Третья фаза состоит в перемещении бойка возвратной пружиной до смыкания с клапоном. При разработке конструкции погружного ударника необходимо учитывать специфические условия работы механизма в скважине, а именно наличие шлама и различных химических реагентов, применяемых для обработки промывочной жидкости, значительные колебания давления жидкости при изменении глубины бурения, невозможность визуального контрля за работой механизма, ограниченные стенками скважины радиальные размеры. Кроме того кинематика погружного механизма должны соответствовать условиям технического задания на разработку конструкции, т.е. механизм должен удволетворять следующим основным требованиям: надежно раюботать на воде и глинистом растворе, приводиться в действие обычным насосом, входящим в комплект буровой установки, быть простым в настройке и обслуживании, иметь недорогую стоимость. Режим ударно - вращательного бурения определяется осевой нагрузкой, частотой вращения бурового снаряда, частотой ударов бойка, интенсивностью удаления продуктов разрушения. Осевая нагрузка при ударно - вращательном бурении зависит от отдачи бурового инструмента, каторая в свою очередь определяется значением силы реакции горной породы, которая зависит от свойств горной породы и энергии ударов. Установленно, что увеличение осевой нагрузки при ударно-вращательном способе бурения в породах невысокой твердости приводит к значительному приросту скорости углубки. В более твердых породах, большие осевые нагрузки заметного прирости углубки не дают, а при бурении в твердых абразивных породах вызывают интенсивный износ породоразрушающего инструмента. Таким образом, осевая нагрузка при ударно - вращательном способе бурения должна выбираться в зависимости от твердости горных пород. В породах невысокой твердости она играет практически такую же роль, что и при вращательном способе бурения, обеспечивая внедрение резцов породоразрушающего инструмента на определенную глубину и непрерывность процесса резания – скалывания породы. В породах более твердых и очень твердых осевая нагрузка не обеспечивает внедрение резцов на значительную величину, но обеспечивает постоянный контакт резцов с породой, что способствует формированию предварительно - напряженного объема, в котором под действием ударной нагрузки будет происходить объемное разрушение породы. Частота вращения бурового снаряда и частота ударов тесно связанные друг с другом параметры режима ударно - вращательного бурения. От сочетания этих параметров существенно зависит характер разрушения породы,механическая скорость бурения. При ударно - вращательном способе бурения наиболее эффективно порода разрушается,когда удары наносятся каждый раз по - новому участку породы. Это достигается поворотом бурового инструмента после каждого удара на определенный угол. Порода в промежутках между углублениями скалывается в момент удара. Таким образом, при ударно - вращательном бурении частота вращения бурового снаряда и частота ударов должны иметь строго определенное сочетание. Это сочетание может быть расчитано в зависимости от числа резцов коронки, диаметра породоразрушающего инструмента и характиристики пород. Установлено, что бурение с повышенной частотой вращения в твердых и особенно абразивных породах ведет к интенсивному износу породоразрушающего инструмента и снижению величины углубки за рекйс. Повышение частоты ударов полезно только при обеспечении необходимой энергии ударов. При ударно - вращательном бурении твердосплавным породоразрушающим инструментом разрушение породы происходит в результате совместного воздействия на резец осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемых по колонне бурильных труб от бурового станка, а также ударных импульсов, генерируемых гидроударником. Причем дополнительное воздействие ударных импульсов, передаваемых породе, значительно повышает эффективностьее разрушения. В твердых и крепких породах, для которых характерно хрупкое разрушение, основной эффект обеспечивается ударными импульсами, а перемещение резцов по забою между ударами имеет второстепенное значенме, способствует выравниванию и подчистки забоя. В пластичных и вязких породах основная роль в разрушении принадлежит резанию, которое обеспечивается крутящим моментом и осевой нагрузкой. Согласно волновой теории удара при соударении бойка гидроударника с нижней наковальней, в последней возникает волна напряжения сжатия, которая перемещаясь по наковальне и колонковой трубе достигает породоразрушающего инструмента и резцы внедряются в породу. Эффективность передачи ударных импульсов завивисит от положения резцов относительно забоя в момент удара. Оптимальная передача энергии удара достигается в том случае, если резцы твердосплавной коронки контактируют с горной породой в момент прихода волны напряжения сжатия. Если такого крнтакта нет, волна сжатия отражается,не выполняя полезной работы, и хотя она через короткое время возвращается, но теряет часть своей энергии. Практически после каждого удара коронка отходит от забоя в результате воздействия упругих свойств породы. При затупленных резцах инструмент может отходить почти сразу же по достижении ударным импульсом забоя. Таким образом, даже при самых оптимальных условиях бурения, т.е. при наибольшем к.п.д. передачи энергии удара, наблюдается отход инструмента от забоя на некотороерасстояние. Следовательно, величину осевой нагрузки необходимо выбрать так, чтобы она обеспечивала постоянный контакт резцов с горной породой. В твердых и крепких породах, с высоким модулем упругости на границе контакта резец – порода возникает больше напряжения сжатия. При достижении критических значений напряжений, превышающих предел прочности породы на давление, при перемещении резцов происходит выкол породы. Скорость распространения волны упругой деформации сжатия зависит только от физических свойств материала наковальни и колонковой трубы. От контакта соударения упругая волна деформации сжатия распространяется по наковальне и колонковому снаряду, т.е. ударная энергия к забою поступает через ряд промежуточных звеньев. Помимо гистерезисных потерь, зависящих от длины наковальни и колонкового снаряда, энергия и амплитуда ударной волны уменьшаются при проходе через участки с переменным сечением. Наковальня представляет собой сложную деталь со множеством отверстий и каналов, т.е. имеется много участков переменного сечения. Поэтому при прохождении ударной волны через наковальню происходят потери ударной энергии. Основная частьДля того, чтобы оценить потерии энергии, определяется коэффициент передачи энергии удара при соударении бойка с наковальней.Потери энергии в колонковой трубе происходят такие из-за наличия резьбовых соединений, в которых волна напряжения частично отражается от мест изменения сечения и упорных торцов. В нашем случае боек и наковальня конструктивно выполнены таким образом,что площади их поперечного сечения в месте соударения различны. На контакте соударения сила, действующая на боек, равна силе, действающей на наковальню. После соударения бойка с наковальней от места контакта распространяется упругая волна деформации сжатия и скорость движения частиц вещества. Наиболее эффективного использования ударной энергии при определенной частоте ударов можно добиться в том случае, если после каждого удара резцы коронки будут перемещаться на новое место, соответствующее оптимальному углу поворота инструмента. Расстояние между ударами, измеряемое по переферийной окружности забоя, определяется размерами лунки разрушения, т.е. для наиболее эффективного использования ударной энергии, лезвия коронки должны перемещаться после каждого удара на ширину лунки разрушения. В этом случае удар будет наноситьься по новому месту, а образованная предыдущим ударом лунка разрушения будет способствовать наилучшему сколу и проработке поверхности забоя. Согласно исследованиям при ударных видах бурения, в случае армирования породоразрушающего инструмента клиновидными резцами, образуются лунки разрушения имеет вполне определенную величину. При ударно - вращательных видах бурения внедрение резцов коронки в гоную породу происходит с момента прихода ударного импульса. Под резцами, в зоне наибольших напряжений, начинает расти ядро уплготнения смятой, раздавленной породы. В массиве образуется нарастающий объем сжатия. По достижении напряжения предельного для данной горной породы значения в зоне, примыкающей к ядру, начинают зарождаться трещины, которые, развиваясь по линиям скалывания, освобождают часть упругой энергии и вызывают отщепление от объема сжатия некоторго слоя. Но отдельный слой, в результате его защемления погружающейся поверхностью лезвия, остается на месте, частично переходя в ядро уплотнения в своей нижней части. ВыводПо результатам, полученным в процесси испытания, можно сделать вывод, что разработанная технология бурения способствует повышению механической скорости в среднем на 10 - 1 5% в породах различной категории по буримости особенно твердых. Кроме того эффективность бурения твердых пород снижается невозможностью создания требуемых технологией пониженных чисел оборотов бурового снаряда (20 - 60 об/мин). Поэтому необходимо разработать простой способ снижения числа оборотов бурового снаряда. Литература
Библиотека |